疲劳短裂纹萌生及发展的细观过程和理论

本文综述了疲劳短裂纹研究的进展和现状,包括关于短裂纹的属性,短裂纹萌生和发展的细观过程以及描述短裂纹行为的若干模型。

不锈钢管道焊缝金属疲劳短裂纹行为的实验研究 Ⅱ.裂纹萌生、扩展与交互作用

基于“有效短裂纹准则”，用复型研究了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢管道焊缝金属光滑试样表面的短裂纹萌生、扩展与交互作用行为，结果表明：有效短裂纹（ＥＳＦＣｓ）萌生于δ铁素体与奥氏体基体的交界处．ＥＳＦＣｓ扩展具有明显微观结构短裂纹（ＭＳＣ）和物理短裂纹（ＰＳＣ）两阶段特征．主导有效短裂纹（ＤＥＳＦＣ）行为是 ＥＳＦＣｓ交互作用的结果，适于表征短裂纹行为ＤＥＳＦＣ扩展率的分散性与 ＥＳＦＣｓ密度的分散性有关，说明 ＤＥＳＦＣ裂尖前沿扩展条件的差异及其演化是 ＤＥＳＦＣ随机扩展行为的本质原因．这一差异也是材料疲劳寿命和循环应力一应变响应存在分散性的本质原因．

钛合金焊缝金属表面疲劳短裂纹的分形研究

采用覆型技术,对TC2钛合金焊缝金属表面疲劳短裂纹群体演化行为进行了实验研究,并应用分形理论对实验观测结果进行了分析·结果表明,钛合金焊缝金属表面群体疲劳短裂纹演化行为具有分形特征;随着疲劳进程中循环次数的不断增加,分形维数也随之增大,对应着材料的损伤在不断加剧;分形维数可以作为一个损伤变量,更好地描述材料的疲劳损伤及演化·

温度对铝合金材料疲劳短裂纹萌生行为影响的研究

利用扫描电镜(SEM)原位观测技术,研究了高温下铝合金试件在循环应力作用下的疲劳短裂纹萌生行为,结果表明,温度对于短裂纹行为具有强烈的影响。基于局部应变法,文中提出了一种预测温度作用下的铝合金疲劳裂纹短萌生寿命的评估公式。

疲劳短裂纹评定方法新进展

回顾了疲劳短裂纹评定方法的近期进展 ,着重介绍了几种疲劳短裂纹的物理模拟方法 ,面形单裂纹蒙特卡罗法 ,群体裂纹损伤的蒙特卡罗法 ,复合因子损伤法 ,分形方法 ,统计分析法以及细观力学方法。

一种等应力试样中的疲劳短裂纹行为

设计了一种三角形试样,当施加弯曲载荷时,该试样等腰三角形段内的表面拉应力为常数。采用振动试验机对所设计的试样进行疲劳试验,以研究一种焊接金属表面疲劳短裂纹萌生和发展特征。结果表明,疲劳短裂纹起源于铁素体晶内的滑移带。随疲劳周次增加,短裂纹发展以裂纹密度不断增加为主要特征。短裂纹的汇合造成裂纹发展且裂纹路径以穿晶为主。

SiC颗粒对SiC_p/2009Al复合材料疲劳短裂纹扩展的影响

采用粉末冶金法制备15%(体积分数)SiCp/2009Al复合材料,研究该材料的微观组织、力学性能、高周疲劳性能以及疲劳断口形貌。结果表明:在SiCp/2009Al复合材料的疲劳短裂纹扩展阶段,SiC颗粒及其表面包覆的2009Al薄层在裂纹扩展面上形成"丘陵"状形貌,使疲劳断口的粗糙度增大,裂纹的闭合效应也随之增大;同时"丘陵"状形貌可以引发疲劳裂纹扩展路径偏析,使裂纹扩展的有效驱动力减小并使裂纹扩展路径增加;上述裂纹迟滞效应使SiCp/2009Al复合材料在短裂纹扩展阶段具有较高的疲劳裂纹扩展抗力。

1Cr18Ni9Ti焊缝的物理疲劳短裂纹扩展实验

应用复型技术研究了1Cr18Ni9Ti管道焊缝金属的物理疲劳短裂纹行为。结果表明,依照“有效短裂纹准则”,在物理短裂纹(PSC)阶段,主导有效短裂纹(DESFC)扩展和有效短裂纹(ESFCs)的扩展及合并对疲劳损伤做出直接贡献,在DESFC裂尖前沿区域的ESFCs密度通过影响DESFC扩展,对疲劳损伤做出间接贡献。DESFC受到减弱的微观结构条件影响,逐渐演化为单条长裂纹扩展行为。ESFCs密度在微观结构短裂纹(MSC)阶段反映DESFC萌生区域、在PSC阶段反映其裂尖前沿的微观结构扩展条件,其统计演化特征与DESFC扩展率的统计演化特征一致。这说明了这一微观结构扩展条件的差异和演化,是随机疲劳性能与演化特性的本质原因。疲劳损伤是一个由初始混沌状态演化到MSC与PSC两阶段交界处独立无关的随机状态,然后到史相关随机状态的过程。

两种终加工工艺下LZ50车轴钢疲劳短裂纹扩展行为对比研究

为研究两种常用终加工工艺对LZ50车轴钢疲劳短裂纹扩展行为的影响,分别进行7个精车试样和6个表面滚压试样的短裂纹复型实验。观察结果表明:精车与滚压试样的主导短裂纹扩展率在微观结构短裂纹(MSC)阶段均出现2次明显下降,这一现象源于两种不同微观结构障碍的固有约束;此外,在MSC阶段,给定主导短裂纹尺度下的精车试样裂纹扩展率明显高于表面滚压试样,随着裂纹尺度和扩展驱动力的增加,这种差异逐渐减小。通过比较5种常用的统计分布函数,确定极小值分布为主导短裂纹尺度-扩展率关系的良好假设分布函数,并对相关统计演化规律进行阐述。最后,获得典型试样的短裂纹扩展率曲线。这些曲线反映了主导短裂纹在整个扩展过程中的周期性减速特征,与实验数据吻合良好。

LZ50车轴钢疲劳短裂纹萌生的数值模拟

针对LZ50车轴钢的疲劳短裂纹应用数值方法对疲劳短裂纹在LZ50车轴钢中的萌生进行了数值模拟。利用二维Voronoi图随机地生成了该材料的微观结构。根据对疲劳试样所施加的载荷,结合有限元法得到了该微观结构中应力和应变的分布规律。最后利用材料的疲劳S-N曲线和裂纹萌生的概率方法给出了在不同循环周次下LZ50钢中疲劳短裂纹的萌生过程。该数值模拟的结果可用于进一步分析LZ50车轴钢中疲劳短裂纹的扩展和群体演化行为。文中还指出在单向拉压的工况下,短裂纹的萌生方向主要受到与载荷方向相一致的应变影响,最大剪应变方向萌生方向的夹角为45°。

残余压应力场中疲劳短裂纹扩展速率的预测

通过对Newman中心孔裂纹闭合模型加以改进,引入经有限元分析计算得到的残余应力再分布曲线,建立了用于单边圆缺口短裂纹闭合力及扩展速率预测的改进模型。为了验证模型的合理性,对40Cr调质态板状试样的缺口部位进行喷丸,测定裂纹扩展时的残余应力再分布,实测短裂纹的闭合力及扩展速率。结果表明,模型计算与实验测定符合较好。残余压应力提高了裂纹闭合力,减小了最大应力强度因子,从而降低了有效应力强度因子幅值,使裂纹扩展速率下降。

基于局域分析的疲劳短裂纹群体演化随机模型

采用局域裂纹数密度描述金属材料中不同局部区域的疲劳短裂纹群体损伤的发展情况通过考虑在不同局域存在的材料性质的随机涨落及局部损伤对损伤总量发展的影响，建立了局域裂纹数密度演化随机方程对方程数值求解从而模拟了材料的疲劳短裂纹损伤过程结果显示出主裂纹出现的随机性。

1Cr18Ni9Ti焊缝的疲劳短裂纹扩展方程

基于“有效短裂纹准则”,研究了1Cr18Ni9Ti焊缝的疲劳短裂纹行为描述方法。与疲劳群体短裂纹演化行为机制一致,考虑了3个重要因素。首先,主导有效短裂纹(DESFC)行为是群体短裂纹交互作用与影响的结果,因而适于表征短裂纹扩展行为。其次,显著的微观结构短裂纹(MSC)和物理短裂纹(PSC)两阶段行为特征,说明扩展律方程应当揭示这一现象。第三,强烈的不规则扩展行为,说明单一循环应变或应力参量不宜表征疲劳短裂纹扩展行为。因此,以DESFC局部萌生区域(MSC阶段)及其裂尖前沿区域(PSC阶段)的局部应变能密度为驱动力,发展了以包容上述区域的应变能密度为驱动力计算参数的新短裂纹扩展律,试验结果分析验证了方法的有效性。

1Cr18Ni9Ti焊缝疲劳短裂纹的形态演化

试验研究了1Cr18Ni9Ti焊缝光滑试样的单轴疲劳短裂纹形态演化规律。基于“有效短裂纹准则”,把注意力放在“主导有效短裂纹(DESFC)”萌生及裂尖前沿区域。观测发现,ESFCs萌生于焊缝局部delta铁素体与奥氏体基质界面,取向在与加载轴垂直截面小于45o随机分布。之后,受微观结构约束,表面倾向于沿垂直于轴向不规则扩展;深度方向,裂纹初始与加载方向垂直,之后倾向于与柱状晶生长方向垂直。当若干取向基本一致,裂尖前沿相邻的ESFCs发生合并即形成真实DESFC,由微观结构短裂纹(MSC)阶段进入物理短裂纹(PSC)阶段。PSC阶段,表面DESFC近似与轴向垂直,在微观结构干扰下不规则扩展;深度方向,逐步演变与柱状晶生长方向垂直,后期及长裂纹阶段倾向于与加载轴成45o。最后,试样沿与加载轴垂直方向瞬时断裂。这说明了疲劳短裂纹与长裂纹形态变化具有明显差异。

钛合金焊缝表面疲劳短裂纹的扩展行为

对TC2钛合金焊缝金属疲劳表面短裂纹扩展行为进行了实验研究,表明裂纹的扩展过程是多裂纹系统的演化过程。基于实验结果,考虑到短裂纹扩展过程中的合并、干涉作用等因素,用应力松弛区模糊化的方法,建立了仿真模型,对疲劳短裂纹演化的物理过程进行了数值模拟。将短裂纹演化行为模拟结果与短裂纹扩展复型的实验结果比较,可以看出两者吻合较好,表明所建立的准则合理、实用。

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对 2 2 5Cr 1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验 ,采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程 ,研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明 ,高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的 ,晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹 ;短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展 ;在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式 ,寿命后期由于裂纹数目增多 ,裂纹间合体效果增强 ,促使主裂纹迅速形成和长大 ,从而导致最终的疲劳失效 ;加载应变范围越大或温度越高 ,裂纹萌生和扩展越快 。

基于疲劳短裂纹扩展条件的疲劳极限估算方法

晶界是微观结构疲劳短裂纹扩展的主要障碍,疲劳极限实质上是疲劳裂纹能够产生,但不能突破晶界阻碍而继续扩展的最低应力.本文通过对微观结构疲劳短裂纹扩展条件的分析,考虑了晶粒取向对裂纹扩展有效驱动力的影响及晶界对裂纹的临界阻力,提出了—种基于非扩展裂纹行为的材料疲劳极限确定力法.与其他估算方法比较表明,该方法是合理和可行的.

基于疲劳短裂纹行为的疲劳寿命估算方法

在疲劳短裂纹形成和扩展行为研究基础上 ,提出了一种疲劳寿命估算方法。计算结果表明 ,该方法具有满意的预测精度。

疲劳短裂纹扩展描述方法

提出了以裂纹顶端延伸位移幅度为驱动力参量的疲劳短裂纹扩展速率描述方法,在小变形情况下与Nisitani方程是一致的.以正火15MnVNq钢试验数据进行了验证,对疲劳短裂纹扩展速率描述结果表明,该方法是合理有效的.

疲劳短裂纹形成和扩展的划分定义探讨

根据对疲劳短裂纹生长行为的分析，将疲劳短裂纹形成和扩展过程划分为微观结构显著影响阶段和稳定生长阶段。综合考虑力学和材料两方面因素，给出了如下划分定义：疲劳短裂纹形成阶段为微观结构显著影响阶段；疲劳短裂纹扩展阶段为稳定生长阶段。通过有关文献分析并结合本试验观察，确定了疲劳短裂纹形成和扩展划分的临界裂纹长度为平均晶粒尺寸的5倍。